DE3644866A1 - Sensor - Google Patents

Sensor

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DE3644866A1
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Abstract

A sensor for converting a physical quantity into an electrical output signal comprises a light source from which a beam of light rays (60) is coupled into the end face of a light-conducting body. The light rays (60) are totally reflected or coupled out of the body at an interface (19) of the body in dependence on the physical quantity. The totally reflected light rays impinge on a second end face. A plurality of light-sensitive elements (22) is provided for detecting an angular range ( beta ) assumed by the beam after completed total reflection or coupling-out. To make the sensor adaptable to a multiplicity of applications and to generate reproducible digitised output values independently of local interference and long-time phenomena, the body is constructed as an elongated optical waveguide (59) in which light rays (60) are totally reflected a number of times, the optical index of refraction (n) of the optical waveguide (59) decreasing over its length towards the end face. The light-sensitive elements (22) are arranged at an axial distance from an end face. They form an impingement surface for a beam of light rays emerging from the end face. The elements are connected in an evaluating circuit comprising a counter which outputs the number of elements illuminated by the beam as output signal in digital form. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Umwandlung einer physikalischen Größe in ein elektrisches Ausgangssignal, mit einer Lichtquelle, aus der ein Bündel Lichtstrahlen in einen lichtleitenden Körper eingekoppelt wird, wobei die Licht­ strahlen an einer Grenzfläche des Körpers in Abhängigkeit von der physikalischen Größe totalreflektiert bzw. aus dem Körper ausgekoppelt werden und die totalreflektierten Licht­ strahlen auf eine Stirnfläche fallen, und mit einer Mehrzahl lichtempfindlicher Elemente zum Erfassen eines von dem Bündel nach erfolgter Totalreflektion bzw. Auskopplung eingenommenen Winkelbereichs.The invention relates to a sensor for converting a physical quantity into an electrical output signal, with a light source, from which a bundle of light rays into one light-guiding body is coupled, the light radiate at an interface of the body depending totally reflected from the physical size or from the Bodies are decoupled and the total reflected light radiate falling on an end face, and with a plurality photosensitive elements for detecting one of them  Bundle after total reflection or decoupling occupied angular range.

Ein derartiger Sensor ist aus Patents abstracts of Japan, 21. Juni, 1980, 55-53 878 (A) bekannt.Such a sensor is from Patents abstracts of Japan, June 21, 1980, 55-53 878 (A).

Der bekannte Sensor dient zur Messung der Konzentration des Elektrolyten einer Blei-Akkumulatorbatterie. Er weist eine Lichtquelle auf, von der ein divergierendes Strahlenbündel durch eine Blende auf eine schräge Seitenfläche eines pris­ matischen, lichtleitenden Körpers fällt. Eine untere, lang­ gestreckte Grenzfläche des Körpers grenzt an den zu messen­ den Elektrolyten. Die Lichtstrahlen des divergierenden Strahlenbündels, die auf die untere Grenzfläche fallen, werden dort, in Abhängigkeit von ihrem Auftreffwinkel und der Dichte des Elektrolyten entweder totalreflektiert oder aber aus dem Körper in den Elektrolyten ausgekoppelt. Die totalreflektierten Lichtstrahlen fallen auf eine weitere, ebenfalls geneigte Grenzfläche des prismatischen Körpers, auf der sich ein Gatter von lichtempfindlichen Elementen befindet. Je nach dem wie groß die Dichte des zu messenden Elektrolyten ist, verschiebt sich die Grenze zwischen den noch totalreflektierten und den ausgekoppelten Lichtstrahlen des Bündels auf der unteren Grenzfläche zu dem Elektrolyten und damit ebenfalls die entsprechende Grenzlinie der auf das Gatter lichtempfindlicher Elemente fallenden totalreflek­ tierten Lichtstrahlen. Da auch dann, wenn Lichtstrahlen ausgekoppelt werden, ein Teilstrahl an der unteren Grenzflä­ che reflektiert wird, ergibt sich, über die Länge des Gat­ ters der lichtempfindlichen Elemente gesehen, ein Intensi­ tätsverlauf, der von einem verhältnismäßig niedrigen Signal­ wert sprungartig zu einem verhältnismäßig hohen Signalwert ansteigt. Der bekannte Sensor mißt nun die Amplitude der auf die verschiedenen Elemente des Gatters fallenden Lichtstrah­ len und zieht die jeweilige Position des sprungartigen Signalanstiegs auf dem Gatter als Maß für die Dichte des Elektrolyten heran.The known sensor is used to measure the concentration of Lead accumulator battery electrolytes. He has one Light source on, from which a diverging beam through a cover on an oblique side surface of a pris matic, light-guiding body falls. A lower, long stretched interface of the body borders on the measure the electrolyte. The light rays of the divergent Rays falling on the lower interface are there, depending on their angle of incidence and the density of the electrolyte either totally reflected or but decoupled from the body into the electrolyte. The totally reflected light rays fall on another, also inclined interface of the prismatic body, on which there is a gate of photosensitive elements located. Depending on how big the density of the measured Is electrolyte, the boundary between the shifts still totally reflected and the decoupled light rays of the bundle on the lower interface with the electrolyte and thus also the corresponding boundary line that on the Gate of light-sensitive elements covered by total reflection beams of light. Because even when rays of light be coupled out, a partial beam at the lower boundary surface che is reflected, results over the length of the gate Seen the light-sensitive elements, an intensi the course of the disease from a relatively low signal value jumps to a relatively high signal value  increases. The known sensor now measures the amplitude of the the various elements of the gate falling light beam len and pulls the respective position of the jump-like Signal rise on the gate as a measure of the density of the Electrolytes.

Der bekannte Sensor hat jedoch den Nachteil, daß er mit sehr hoher Präzision justiert werden muß, weil bei der nur einma­ ligen Totalreflektion der Lichtstrahlen im prismatischen Körper bereits leichte Dejustierungen des einfallenden Bündels von Lichtstrahlen zu erheblichen Verfälschungen des Meßergebnisses führen. Außerdem hat der bekannte Sensor den Nachteil, daß eine Messung der Dichte des Elektrolyten praktisch nur punktförmig erfolgt, nämlich in einem in der Praxis sehr kleinen Längenabschnitt der Grenzfläche, in dem der Übergang von der Totalreflektion zur Auskopplung vari­ iert, so daß das Meßergebnis nur dann charakteristisch für den Zustand des Elektrolyten in einem Behälter, z.B. einer Akkumulatorbatterie insgesamt ist, wenn der Elektrolyt in der Batterie gleichförmig dieselbe Dichte aufweist. Dies ist jedoch in der Praxis keineswegs immer der Fall, weil zum einen sich leichtere, z.B. wärmere Elektrolytanteile oben im Akkumulator ansammeln, während sich schwerere Anteile unten absetzen, andererseits aber bei Akkumulatoren, die Bewegun­ gen unterliegen, wie dies beispielsweise bei Kraftfahrzeugen der Fall ist, durch die Bewegung der Akkumulatoren ebenfalls räumliche Dichteschwankungen mit erheblichem Ausmaß auftre­ ten können. Der bekannte Sensor kann nicht die Säuredichte zwischen den Platten eines Akkumulators erfassen, und auch der Einbau in Rohre ist schwierig. Ein weiterer Nachteil des bekannten Sensors ist, daß er systematisch nur für eine einzige Meßaufgabe, nämlich die Messung der Dichte des an den prismatischen Körper angrenzenden Mediums geeignet ist. Schließlich hat der bekannte Sensor noch den Nachteil, daß das Meßergebnis in analoger Form vorliegt, weil die jewei­ lige Signalintensität an den einzelnen Elementen des Gatters erfaßt wird. Damit ist das Meßergebnis empfindlich gegenüber Drifterscheinungen aller Art, beispielsweise Alterungser­ scheinungen der beteiligten optischen Elemente.However, the known sensor has the disadvantage that it is very high precision must be adjusted, because the only one total reflection of the light rays in the prismatic Body already slight misalignments of the incident Bundle of light rays to falsify the Lead measurement result. In addition, the known sensor has the Disadvantage that a measurement of the density of the electrolyte practically only in a punctiform manner, namely in one in the Practice very small length section of the interface in which the transition from total reflection to decoupling vari iert, so that the measurement result is only characteristic of the condition of the electrolyte in a container, e.g. one Total battery is when the electrolyte is in the battery has the same density uniformly. This is in practice, however, not always the case, because at a lighter one, e.g. warmer electrolyte components at the top of the Accumulate accumulator while heavier parts are below discontinue, on the other hand with accumulators, the movement subject to conditions, such as in motor vehicles the case is also due to the movement of the accumulators spatial density fluctuations occur to a considerable extent can. The known sensor cannot measure the acid density between the plates of a battery, and also installation in pipes is difficult. Another disadvantage of known sensor is that it is systematic for only one only measurement task, namely the measurement of the density of the  the medium adjacent to the prismatic body is suitable. Finally, the known sensor has the disadvantage that the measurement result is in analog form because the respective lige signal intensity at the individual elements of the gate is detected. The measurement result is therefore sensitive to All kinds of drift phenomena, for example aging Apparitions of the optical elements involved.

Es sind weiter zahlreiche Sensoren bekannt, die auf opto­ elektronischem Wege unter Ausnutzung der Brechungseigen­ schaften eines Lichtleiters physikalische Größen in elektri­ sche Ausgangssignale umwandeln, diese Sensoren arbeiten jedoch ebenfalls sämtlich mit analoger Meßwerterzeugung, lediglich bei bekannten Sensoren zur Erfassung von Füllstän­ den ist es bekannt, die Überschreitung eines einzigen be­ stimmten Grenzwertes als digitales Ja/Nein-Signal anzuzei­ gen, eine kontinuierliche digitale Füllstandsmessung ist damit jedoch ebenfalls nicht möglich.Numerous sensors are also known which are based on opto electronically using the refractive properties properties of a light guide physical quantities in electri Convert cal output signals, these sensors work but also all with analog measurement generation, only with known sensors for detecting fill levels it is known to exceed a single be agreed limit value to display as a digital yes / no signal gene, is a continuous digital level measurement however, this is also not possible.

Aus der DE-OS 34 33 343 ist eine optische Meßanordnung mit faseroptischer Lichtübertragung bekannt. Bei dieser Anord­ nung wird Licht aus einer Lichtquelle in einen Lichtleiter eingekoppelt und tritt an einer radialen Grenzfläche wieder aus. Das in Form eines konischen Lichtbündels austretende Licht trifft auf eine verspiegelte Referenzfläche, die sich in einem zu messenden Abstand von der Stirnfläche des Licht­ leiters befindet. Das von der Referenzfläche wiederum reflektierte Licht trifft auf Insichreflektoren, die bewir­ ken, daß das Licht auf demselben Wege wieder zurückgeleitet wird, demzufolge in die Stirnfläche des Lichtleiters zurück­ gelangt und nach geeigneter Auskopplung vom Sendelicht einem Lichtdetektor zugeführt wird. Der Meßeffekt bei dieser be­ kannten Anordnung beruht auf der Strahlauffächerung, die bedingt ist durch die vom Beobachtungswinkel abhängige Lichtreflexion des Insichreflektors. Die Anwendung der bekannten Anordnung ist daher auf die Längenmessung bei einer Konfiguration der geschilderten Art beschränkt.From DE-OS 34 33 343 an optical measuring arrangement with fiber optic light transmission known. With this arrangement light becomes a light source into an optical fiber coupled in and occurs again at a radial interface out. The one emerging in the form of a conical beam of light Light strikes a mirrored reference surface at a distance to be measured from the face of the light head. That from the reference surface in turn reflected light hits insichreflectors that cause that the light is guided back in the same way is consequently back into the end face of the light guide arrives and after suitable decoupling from the transmission light Light detector is supplied. The measuring effect with this be  arrangement is based on the beam fanning, which is due to the dependence on the observation angle Light reflection of the insichreflector. The application of the known arrangement is therefore based on the length measurement a configuration of the type described limited.

Aus der DE-OS 34 28 453 ist ferner eine Sensoreinrichtung bekannt, bei der ein transparentes Prisma mit zwei um 90° gegeneinander versetzten Grenzflächen in ein Meßmedium eintaucht. Wenn das Meßmedium eine erste vorbestimmte Dichte aufweist, so wird ein mittels eines ersten Lichtleiters auf die erste Grenzfläche schiefwinklig aufgestrahlter Licht­ strahl dort totalreflektiert, gelangt auf die zweite Grenz­ fläche und wird in einen zweiten Empfangslichtleiter zurück­ reflektiert. Erhöht sich nun die Dichte des Meßmediums, so tritt der Lichtstrahl bereits beim Auftreten auf die erste Grenzfläche des Prismas in das Medium aus und am Empfangs­ lichtleiter steht ein Nullsignal an. Diese bekannte Sensor­ einrichtung ist daher nur als Ja/Nein-Signalerzeuger ein­ setzbar, eine kontinuierliche digitalisierte Messung ist nicht möglich.From DE-OS 34 28 453 is also a sensor device known in which a transparent prism with two 90 ° mutually offset interfaces in a measuring medium immersed. If the measuring medium has a first predetermined density has, then a by means of a first light guide the first interface of light radiated at an oblique angle beam totally reflected there, reaches the second border area and is returned to a second receiving light guide reflected. Now the density of the measuring medium increases, so the light beam strikes the first one as soon as it occurs Interface of the prism into the medium and at the reception a zero signal is present on the light guide. This well-known sensor device is therefore only a yes / no signal generator settable, is a continuous digitized measurement not possible.

Aus der DE-OS 34 03 887 ist ein weiterer Sensor bekannt, bei dem ein langgestreckter, einseitig eingespannter Lichtleiter durch einen Gasstrom auslenkbar ist. Gegenüber dem freien Ende des Lichtleiters befindet sich ein flächiger Detektor in Gestalt eines lumineszierenden Körpers. Je nach Aus­ lenkung des Lichtleiters trifft das von diesem ausgestrahlte Licht auf einen anderen Oberflächenbereich des flächigen lumineszierenden Körpers auf, bei dem an einem oder an beiden Enden ein Detektor angeordnet ist. Aus der Intensität des Detektorssignals oder aus dem Quotienten der Intensi­ täten beider Detektorsignale kann nun der Auftreffpunkt des Lichtes und damit mittelbar die Auslenkung des Lichtleiters und daraus wiederum die Geschwindigkeit oder die Menge des auslenkenden Gases bestimmt werden. Auch dieser Sensor ermöglicht daher nur Analogmessungen und er ist wiederum auf einen speziellen Anwendungsfall der Messung von Gasgeschwin­ digkeiten oder Gasdurchsätzen beschränkt.Another sensor is known from DE-OS 34 03 887, at an elongated, one-sided clamped light guide can be deflected by a gas flow. Towards the free A flat detector is located at the end of the light guide in the form of a luminescent body. Depending on the out steering of the light guide hits that which it emits Light on another surface area of the flat luminescent body on which on one or on a detector is arranged at both ends. From the intensity of the detector signal or from the quotient of the intensi  actions of both detector signals can now be the point of impact of the Light and thus indirectly the deflection of the light guide and from it the speed or the amount of deflecting gas can be determined. This sensor too therefore only allows analog measurements and it is open again a special application of gas velocity measurement limited or gas flow rates.

Aus der DE-OS 20 34 344 ist eine Einrichtung zur Messung physikalischer Größen durch Messung der Intensität eines Lichtstrahlenbündels bekannt. Bei dieser bekannten Einrich­ tung macht man sich gleichfalls die Tatsache zunutze, daß Lichtstrahlen an den Grenzflächen eines Lichtleiters austre­ ten oder totalreflektiert werden, je nachdem, wie das Ver­ hältnis der Brechungsindizes bzw. der Dichten im Lichtleiter und im umgebenden Medium ist. Hierzu wird bei unterschied­ lichen Anordungen der Effekt ausgenutzt, daß durch Umgebung eines Teiles des Lichtleiters mit einem dichten Medium eine immer größere Lichtmenge aus dem Lichtleiter ausgekoppelt wird, wodurch Analogmessungen, beispielsweise eines Füll­ standes, möglich sein sollen. Ein Nachteil der bekannten Einrichtung ist jedoch, daß der Meßeffekt zwar theoretisch existent, in der Praxis jedoch außerordentlich klein ist und daher genaue Messungen kaum möglich sind, zumal nur ein Analogsignal zur Verfügung steht.DE-OS 20 34 344 is a device for measurement physical quantities by measuring the intensity of a Light beam known. In this well-known Einrich one also takes advantage of the fact that Beam out light at the interfaces of a light guide or totally reflected, depending on how the ver Ratio of refractive indices or densities in the light guide and is in the surrounding medium. A distinction is made here Lichen arrangements of the effect exploited by the environment a part of the light guide with a dense medium ever increasing amount of light is coupled out of the light guide is, whereby analog measurements, for example a fill befitting, should be possible. A disadvantage of the known Setup is, however, that the measurement effect is theoretical exists, but is extremely small in practice and therefore exact measurements are hardly possible, especially since only one Analog signal is available.

Schließlich ist aus der DE-OS 21 55 049 noch eine optische Vergleichsvorrichtung mit optischen Fasern bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist, wie bereits zu dem weiter oben geschilderten Ausführungsbeispiel erläutert, im axialen Abstand von einer Stirnfläche eines mit Licht beaufschlagten Lichtleiters eine mit einer reflektierenden Oberfläche versehene Referenzebene angeordnet, deren axialer Abstand von der Stirnfläche des Lichtleiters gemessen werden soll. Hierzu sind radial neben dem Lichtleiter mehrere Empfangs­ lichtleiter angeordnet, deren Signal jeweils einzelnen optischen Detektoren zugeführt wird. Diese optischen Detek­ toren sind ihrerseits an eine elektronische Analogschaltung angeschlossen. Bei dieser bekannten Vorrichtung macht man sich die Tatsache zunutze, daß bei sich vergrößerndem Ab­ stand der reflektierenden Referenzfläche von der Stirnfläche des Lichtleiters der Rand des reflektierten Strahlenbündels immer weiter radial von der Stirnfläche des Lichtleiters fortwandert und nacheinander die Stirnflächen der verschie­ denen radial beabstandeten Empfangslichtleiter überstreicht. Demzufolge kann ein bereichsweise lineares Ausgangssignal nur jeweils an dem Empfangslichtleiter abgenommen werden, dessen Stirnfläche gerade vom Rand des reflektierten Strah­ lenbündels überstrichen wird. Dies macht sich die bekannte Vorrichtung zunutze, indem das jeweils gerade "lineare" Signal zur Bildung eines insgesamt breiteren Linearbereichs herangezogen wird. Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist somit ebenfalls, das lediglich für eine einzige Meßauf­ gabe geeignet ist und ein digitaler Ausgangswert des Signals steht auch hier nicht zur Verfügung.Finally, from DE-OS 21 55 049 there is still an optical one Comparative device with optical fibers known. At this known device is, as already to the next The embodiment described above is explained in the axial Distance from an end face of one exposed to light Optical fiber one with a reflective surface  provided reference plane, the axial distance to be measured from the end face of the light guide. For this purpose, several receptions are received radially next to the light guide arranged light guide, the signal each individual optical detectors is supplied. This optical detec gates are in turn connected to an electronic analog circuit connected. In this known device you do take advantage of the fact that with increasing Ab stood the reflective reference surface from the front surface the edge of the reflected beam of light always radially from the end face of the light guide wanders and one after the other the end faces of the various which radially spaced receiving light guide sweeps. As a result, a regionally linear output signal can can only be removed from the receiving light guide, whose end face is just from the edge of the reflected beam lenbündels is swept. This makes the well-known Take advantage of the device by using the straight "linear" Signal to form an overall broader linear range is used. A disadvantage of this known device is therefore also only for a single measurement is suitable and a digital output value of the signal is also not available here.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubil­ den, daß er für eine Vielzahl von Meßaufgaben geeignet und unproblematisch in der Justierung ist, daß sich lokale Störungen in der Umgebung des Sensors nicht bemerkbar machen und daß schließlich vor allem eine kontinuierliche Digital­ anzeige des jeweiligen Ausgangssignals möglich ist. The invention is based on the object, one To continue sensor of the type mentioned that he is suitable for a variety of measurement tasks and The problem with the adjustment is that local Do not make disturbances in the vicinity of the sensor noticeable and that ultimately, above all, a continuous digital display of the respective output signal is possible.  

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Körper als langgestreckter Lichtleiter ausgebildet ist, in dem Lichtstrahlen mehrfach totalreflektiert werden, daß der optische Brechungsindex des Lichtleiters über seine Länge zur Stirnfläche hin abnimmt, daß die lichtempfindlichen Elemente in einem axialen Abstand von einer Stirnfläche angeordnet sind und eine Auftrefffläche für ein aus der Stirnfläche austretendes Bündel Lichtstrahlen bilden, und daß die Elemente an eine Auswerteschaltung mit einem Zähler angeschlossen sind, der die Anzahl der von dem Bündel be­ leuchteten oder alternativ der nicht beleuchteten Elemente als Ausgangssignal in digitaler Form abgibt. Nachfolgend wird nur die Zählung der beleuchteten Elemente näher be­ trachtet. Soll die Zahl der unbeleuchteten Elemente ge­ zählt und ausgewertet werden, so muß die Gesamtzahl aller Elemente bekannt sein.This object is achieved in that the Body is designed as an elongated light guide, in the light rays are totally reflected several times, that the optical refractive index of the light guide over its length towards the end face decreases that the photosensitive Elements at an axial distance from an end face are arranged and an impact surface for one from the Forming emerging bundles of light rays at the end face, and that the elements to an evaluation circuit with a counter connected to the number of be from the bundle illuminated or alternatively the non-illuminated elements outputs as an output signal in digital form. Below only the count of the illuminated elements will be closer seeks. Should the number of non-illuminated elements ge counts and evaluated, the total number of all Elements to be known.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird damit voll­ kommen gelöst. Bei Verwendung eines langgestreckten Licht­ leiters mit mehrfacher Totalreflektion werden zum einen Justierungsprobleme vermieden, weil sich über die Länge des Lichtleiters gesehen ohnehin gleichförmige Lichtstrahlenver­ hältnisse ausbilden, außerdem werden in der Umgebung des Lichtleiters etwa bestehende Diskontinuitäten hierdurch ausgemittelt. Durch die Führung der Lichtstrahlen im Licht­ leiter können zahlreiche unterschiedliche Meßaufgaben gelöst werden. So sind kontinuierliche Füllstandsmessungen möglich und es können auch geometrische Größen, insbesondere Längen auf diese Weise gemessen werden. Diese Aufzählung schränkt jedoch den Anwendungsbereich der Erfindung keineswegs ein. The object on which the invention is based is thus full come solved. When using an elongated light on the one hand Adjustment problems avoided because the length of the Seen light guide uniform light beam ver training relationships, and in the vicinity of the Any existing discontinuities in this way averaged. By guiding the light rays in the light conductors can solve numerous different measuring tasks will. This enables continuous level measurements and geometric sizes, in particular lengths, can also be used can be measured in this way. This list limits however, the scope of the invention is by no means limited.  

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, daß der Winkelbereich des aus dem Lichtleiter austretenden Bündels, mit anderen Worten der sogenannte "Akzeptanzkonus" in digi­ taler Form ausgemessen wird, indem die Anzahl der bei einem bestimmten Wert der physikalischen Größe beleuchteten Ele­ mente ausgezählt und angezeigt wird. Irgendwelche Alterungs­ erscheinungen oder sonstigen Drifterscheinungen wirken sich damit nicht störend auf das Meßergebnis aus, weil die Aus­ werteschaltung für jedes einzelne lichtempfindliche Element nur eine Ja/Nein-Entscheidung trifft, so daß bei geeignet eingestelltem Triggerpegel für das jeweilige Element ohne Bedeutung ist, wie groß die Intensität des jeweils auftref­ fenden Lichtstrahles ist bzw. wie sich der Konversionsfaktor von einfallendem Lichtstrahl zu abgegebener Spannung im Element selbst aufgrund von Alterungserscheinungen geändert hat.Another important advantage of the invention is that the Angular range of the bundle emerging from the light guide, in other words the so-called "acceptance cone" in digi taler form is measured by the number of at a certain value of physical quantity illuminated ele elements are counted and displayed. Any aging phenomena or other drift phenomena have an effect so not disturbing the measurement result because the off value circuit for each individual photosensitive element only makes a yes / no decision, so that when appropriate set trigger level for the respective element without What is important is how great the intensity of each hit is light beam is or how the conversion factor from incident light beam to emitted voltage in the Element itself changed due to signs of aging Has.

Insgesamt stellt die Erfindung damit einen universell ein­ setzbaren, robusten, zuverlässigen und gegen Alterungser­ scheinungen unempfindlichen Sensor zur Verfügung.Overall, the invention thus sets a universal settable, robust, reliable and against aging apparently insensitive sensor available.

Bei einem Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Sensors ist die physikalische Größe ein Füllstand einer Flüssigkeit. In diesem Falle taucht der Lichtleiter über einen Teil seiner axialen Länge in die Flüssigkeit und der optische Brechungs­ index des Lichtleiters nimmt von seinem unteren Ende nach oben hin ab. Allgemeiner ausgedrückt, ist die physikalische Größe die Lage einer Grenzschicht zweier Medien, z.B. auch zwischen Flüssigkeiten, mit unterschiedlichen Brechungs­ indizes. One area of application of the sensor according to the invention is the physical quantity a level of a liquid. In In this case, the light guide is submerged over part of it axial length in the liquid and the optical refraction index of the light guide decreases from its lower end from the top. More generally, the physical one Size the location of a boundary layer between two media, e.g. also between liquids, with different refractions indices.  

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß kontinuierliche Füll­ standsmessungen mit digitaler Meßwerterzeugung möglich sind, weil der Öffnungswinkel des Akzeptanzkonus von dem jeweils niedrigsten Brechungsindex bestimmt wird, der bei dem ge­ schilderten Gradienten des Brechungsindex über die axiale Länge des Lichtleiters gerade derjenige ist, der sich an der Oberfläche der umgebenden Flüssigkeit befindet. Mit anderen Worten, der Öffnungswinkel des Akzeptanzkonus wird von einer maximalen Größe bei minimalem Füllstand kontinuierlich kleiner bis zu einem maximalen Füllstand, wobei diese Varia­ tion des Akzeptanzkonus in der beschriebenen Weise in einen digitalen Meßwert umgeformt wird.This measure has the advantage that continuous filling level measurements with digital measured value generation are possible, because the opening angle of the acceptance cone of each lowest refractive index is determined, the ge described gradients of the refractive index over the axial Length of the light guide is just the one who is on the Surface of the surrounding liquid. With others Words, the opening angle of the acceptance cone is one maximum size with minimum fill level continuously smaller up to a maximum level, whereby this Varia tion of the acceptance cone in the manner described in one digital measured value is transformed.

Bei einer Variante dieses Ausführungsbeispiels ist der Lichtleiter so bemessen, daß das Produkt seiner halben Dicke und des Tangens des Grenzwinkels der Totalreflektion des außerhalb der Meßflüssigkeit liegenden Lichtleitermaterials zu dem dort umgebenden Medium wesentlich kleiner, vorzugs­ weise 1/3 bis 1/40 der Länge des Lichtleiters ist.In a variant of this embodiment, the Light guide dimensioned so that the product is half its thickness and the tangent of the critical angle of the total reflection of the fiber optic material lying outside the measuring liquid to the surrounding medium much smaller, preferred is 1/3 to 1/40 of the length of the light guide.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß sich bei extrem niedri­ gen Füllständen ein großer Signalsprung einstellt, wenn der Füllstand gerade eine Höhe über- bzw. unterschreitet, die dem Produkt der halben Dicke des Lichtleiters und des Tan­ gens des genannten Grenzwinkels entspricht. Bis zu dieser Höhe des Füllstandes hat nämlich der Öffnungswinkel des Akzeptanzkonus einen sehr großen Wert, der dem Grenzwinkel Lichtleiter/ umgebendes Medium außerhalb der Flüssigkeit (im allgemeinen: Luft) entspricht, während bei Überschreiten dieser Höhe der Öffnungswinkel schlagartig auf einen sehr viel niedrigeren Wert absinkt, der dem Grenzwinkel Lichtlei­ termaterial/Flüssigkeit entspricht. Dieser Signalsprung ist bei den hier zur Diskussion stehenden Lichtleitermaterialien wesentlich größer als die Sprünge bei abschnittsweise hin­ sichtlich ihres Brechungsindex gestuftem Lichtleiter, wie dies im vorhergehenden Abschnitt beschrieben wurde. Der sehr große Signalsprung kann daher vorteilhaft als "Reserveanzei­ ge" verwendet werden, um dem Benutzer des Sensors zu signa­ lisieren, daß der Füllstand auf einen sehr niedrigen unteren Grenzwert abgesunken ist.This measure has the advantage that at extremely low a large jump in signal levels when the Level just exceeds or falls below a level that the product of half the thickness of the light guide and the tan corresponds to the mentioned limit angle. Up to this The level of the level is namely the opening angle of the Acceptance cone a very large value, the critical angle Light guide / surrounding medium outside the liquid (in general: air), while when exceeded this height the opening angle abruptly on a very much lower value that decreases the critical angle Lichtlei term material / liquid corresponds. This signal jump is  in the light guide materials under discussion here much larger than the jumps in sections visually graded light guide, such as this was described in the previous section. The very large signal jump can therefore be advantageous as a "reserve display ge "can be used to signa the user of the sensor lize that the level to a very low lower Limit has dropped.

Bei einem weiteren Anwendungsgebiet der Erfindung ist die physikalische Größe eine Länge und der Lichtleiter weist lichtabgebende Elemente auf, die nach Bestrahlung mittels eines Primärlichtes Sekundärlicht abgeben, wobei das Bündel Lichtstrahlen in radialer Richtung im Abstand der Länge von der Stirnfläche seitlich auf den Lichtleiter trifft.In a further field of application of the invention physical size has a length and the light guide light-emitting elements, which after irradiation by means of a primary light emit secondary light, the bundle Beams of light in the radial direction at a distance of length from the face meets the light guide on the side.

Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung, das somit eben­ falls vom zentralen Gedanken der Erfindung Gebrauch macht, die Variation des Akzeptanzkonus auf digitale Weise zu erfassen, hat somit den Vorteil, daß eine Länge berührungs­ los gemessen werden kann, weil je nach Brechungsindex des lumineszierenden Lichtleiterbereiches, auf den der radiale Meßstrahl fällt, am stirnseitigen Ende ein Strahlenbündel austritt, dessen Akzeptanzkonus vom Brechungsindex des genannten Lichtleiterbereiches abhängt.This embodiment of the invention, which is just if making use of the central idea of the invention, the variation of the acceptance cone in a digital way Capture thus has the advantage that a length touching can be measured because, depending on the refractive index of the luminescent light guide area on which the radial Measuring beam falls, at the front end a beam emerges, the acceptance cone of the refractive index of the depends on the light guide area.

Die Maßnahmen haben ferner den Vorteil, daß statt einer diffusen Lichteinstrahlung in den Lichtleiter auch eine Einstrahlung mittels eines parallelen Bündels möglich ist, wobei dann die für die Erfindung erforderlichen diffusen Lichtstrahlen durch das Sekundärlicht dargestellt werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß das Primär­ licht auf Störstellen (Farbzentren) im Lichtleiter trifft, daß diffus reflektierende Grenzflächen, auf die das Primär­ licht trifft, vorgesehen werden oder daß der Lichtleiter mit Lumineszenzzentren versehen wird, die ihrerseits Sekundär­ licht erzeugen.The measures also have the advantage that instead of one diffuse light into the light guide also a Irradiation is possible using a parallel bundle, then the diffuse required for the invention Light rays can be represented by the secondary light. This can happen, for example, that the primary  light hits impurities (color centers) in the light guide, that diffusely reflecting interfaces on which the primary light meets, are provided or that the light guide with Luminescence centers are provided, which in turn are secondary generate light.

Bei einer Weiterbildung dieser Variante weist der Lichtlei­ ter erfindungsgemäß axial aneinandergesetzte Abschnitte mit unterschiedlichem optischem Brechungsindex auf.In a further development of this variant, the light guide ter according to the invention axially juxtaposed sections different optical refractive index.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der Lichtleiter einfa­ cher hergestellt werden kann, weil für die Abschnitte auf vorhandene Materialien zurückgegriffen werden kann.This measure has the advantage that the light guide is simple cher can be made because for the sections on existing materials can be used.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung besteht der Licht­ leiter aus Glas oder Kunststoff, z.B. Polymethylacrylat (PMMA).In embodiments of the invention, the light is there ladder made of glass or plastic, e.g. Polymethyl acrylate (PMMA).

Diese Maßnahme hat auch den Vorteil, daß auf bekannte Mate­ rialien mit ebenfalls bekannten reproduzierbaren Eigenschaf­ ten zurückgegriffen werden kann.This measure also has the advantage that known mate materials with also known reproducible properties ten can be used.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Auftrefffläche zur Achse des Lichtleiters geneigt.In another embodiment of the invention Impact surface inclined to the axis of the light guide.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß bei Variation des Akzep­ tanzkonus infolge der Neigung der Auftrefffläche eine Ver­ größerung des Bereiches erzeugt wird, in dem der Rand des Akzeptanzkonus schwankt.This measure has the advantage that when the acceptance is varied dance cone due to the inclination of the impact surface a ver enlargement of the area in which the edge of the Acceptance cone fluctuates.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Variante kann die Auftrefffläche auch in vorgegebener Weise gekrümmt verlau­ fen, um auf diese Weise gegebenenfalls vorhandene Nichtli­ nearitäten des Sensors zu kompensieren.In a preferred embodiment of this variant, the Impact surface also curved in a predetermined manner  fen, in this way any non-li compensate for the sensor's localities.

Schließlich ist noch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bevorzugt, bei dem die Lichtquelle an einem Pulsgenerator angeschlossen ist und die Auswerteschaltung einen Differenz­ bildner aufweist, dessen Eingängen die Maßwerte bei einge­ schalteter bzw. ausgeschalteter Lichtquelle zuführbar sind.Finally, there is another embodiment of the invention preferred, in which the light source on a pulse generator is connected and the evaluation circuit a difference has formers, the inputs of which are the measured values at switched or switched off light source can be supplied.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch Messungen in den Impulspausen Fremdlichteinflüsse ausgemessen und damit kompensiert werden können.This measure has the advantage that measurements in the Impulse pauses measured and thus external light influences can be compensated.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.Further advantages result from the description and the attached drawing.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinatio­ nen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the above and the features explained below not only in each specified combination but also in other combinations can be used alone or without the frame to leave the present invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are in the drawing are shown and are described in the following description explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Lichtleiters zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung; Figure 1 is a schematic representation of an optical fiber for explaining the present invention.

Fig. 2 eine Darstellung eines Strahlenganges, wie er im Lichtleiter gemäß Fig. 1 auftritt; FIG. 2 shows a beam path as it occurs in the light guide according to FIG. 1;

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer flächenhaf­ ten Lichtmeßanordnung zur Verwendung beim erfin­ dungsgemäßen Sensor; Fig. 3 shows a first embodiment of a surface measuring arrangement for use in the sensor according to the invention;

Fig. 4 eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3 mit linienförmiger Lichtmeßanordnung; FIG. 4 shows a variant of the exemplary embodiment according to FIG. 3 with a linear light measuring arrangement;

Fig. 5a und 5b ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä­ ßen Sensors zur Messung eines Füllstandes mit zugehöriger Kennlinie des Brechungsindex über die Länge des verwendeten Lichtleiters; Figures 5a and 5b an embodiment of an inventive SEN sensor for measuring a level with associated characteristic of the refractive index over the length of the optical fiber used.

Fig. 6 eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5a mit gestuftem Lichtleiter; Fig. 6 is a variant of the embodiment according to Figure 5a stepped light guide.

Fig. 7a bis 7c eine Detaildarstellung des Sensors gemäß Fig. 5a oder Fig. 6 zur Erläuterung einer erfin­ dungsgemäß möglichen Reserveanzeige; Fig. 7a to 7c is a detailed representation of the sensor of Figure 5a or Figure 6, illustrating a possible according OF INVENTION dung reserve indicator..;

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung einer Länge; Fig. 8 shows an embodiment of an inventive sensor for measuring a length;

Fig. 9 einen stark schematisierten Stromlaufplan zur Erläuterung der Beschaltung eines erfindungsgemä­ ßen Sensors; Figure 9 is a highly schematic circuit diagram for explaining the connection of a SEN according to the invention sensor.

Fig. 10 eine weitere Variante, ähnlich Fig. 1, zur Erhö­ hung der Meßempfindlichkeit eines erfindungsgemä­ ßen Sensors. Fig. 10 shows a further variant, similar to FIG. 1, for the measuring sensitivity raised stabili hung a SEN according to the invention the sensor.

In Fig. 1 bezeichnet 1 eine Lichtquelle, aus der ein diver­ gierendes Strahlenbündel 2 aus- und in eine benachbarte obere Stirnfläche 3 eines zylindrischen Lichtleiters 10 eintritt. Die punktförmige Lichtquelle 1 mit dem divergie­ renden Strahlenbündel 2 ist hier nur beispielhaft zu verste­ hen, es wird weiter unten noch erläutert werden, daß auch parallele Strahlenbündel verwendet werden können, aus denen divergierendes Sekundärlicht im Inneren des Lichtleiters abgeleitet wird.In Fig. 1, 1 denotes a light source from which a diverging beam of rays 2 emerges and enters an adjacent upper end face 3 of a cylindrical light guide 10 . The punctiform light source 1 with the diverging rays bundle 2 is only exemplary to understand here, it will be explained further below that parallel rays can also be used, from which divergent secondary light is derived inside the light guide.

In Fig. 1 erkennt man mit 11 einen ersten, axial gerichteten Lichtstrahl, der den Lichtleiter 10 ohne weitere Umlenkung oder Behinderung durchsetzt. Mit 12 a, 12 b ist ein zweiter Lichtstrahl gekennzeichnet, der so flach auf eine Mantelflä­ che 19 des Lichtleiters 10 trifft, daß er totalreflektiert wird. Auch der Lichtstrahl 12 a, 12 b setzt somit seinen Weg durch die Lichtleiter 10 in axialer Richtung fort. Mit 13 a, 13 b ist hingegen ein dritter Lichtstrahl bezeichnet, der unter einem solch steilen Winkel auf die Mantelfläche 19 trifft, daß er aus dem Lichtleiter 10 ausgekoppelt wird.In Fig. 1, 11 shows a first, axially directed light beam which passes through the light guide 10 without further deflection or obstruction. With 12 a , 12 b , a second light beam is marked, which hits flat on a Mantelflä surface 19 of the light guide 10 that it is totally reflected. The light beam 12 a , 12 b thus continues its path through the light guide 10 in the axial direction. 13 a , 13 b , on the other hand, denotes a third light beam which strikes the lateral surface 19 at such a steep angle that it is coupled out of the light guide 10 .

Dies bedeutet im Ergebnis, daß nach mehreren Reflektionsvor­ gängen im Lichtleiter 10 nur noch Lichtstrahlen 11 oder 12 a, 12 b geführt werden, die entweder streng axial oder so flach gerichtet sind, daß sie an der Mantelfläche 19 totalreflek­ tiert werden. Hierdurch entsteht ein sogenannten "Akzeptanz­ konus" 14, womit man die Gestalt eines aus einer unteren Stirnfläche 16 austretenden divergierenden Bündels 17 von Lichtstrahlen bezeichnet.This means in the result that after several reflections in the light guide 10 only light rays 11 or 12 a , 12 b are guided, which are either strictly axially or so flatly directed that they are totally reflected on the lateral surface 19 . This creates a so-called “acceptance cone” 14 , which is used to denote the shape of a diverging bundle 17 of light rays emerging from a lower end face 16 .

In einem axialen Abstand h von der unteren Stirnfläche 16 ist eine Auftrefffläche 15 definiert. Bezeichnet man den Öffnungswinkel des Akzeptanzkonus 14 mit β, so ergibt sich in der Auftrefffläche 15 bei kreisförmiger unterer Stirnflä­ che 16 eine kreisförmige Lichtfläche mit einem umlaufenden Ringbereich der radialen Breite x, die vom Winkel β und dem axialen Abstand h abhängt.An impact surface 15 is defined at an axial distance h from the lower end face 16 . If one designates the opening angle of the acceptance cone 14 with β , then there is a circular light surface with a circumferential ring area of radial width x , which depends on the angle β and the axial distance h , in the impact surface 15 with a circular lower end face 16 .

Ändert sich nun infolge einer Veränderung der Brechungsver­ hältnisse im Lichtleiter 10 oder im umgebenden Medium der Grenzwinkel der Totalreflektion, ändert sich ebenfalls der Winkel β und damit das Maß x.Now changes due to a change in the refraction conditions in the light guide 10 or in the surrounding medium, the critical angle of the total reflection, also changes the angle β and thus the dimension x .

In Fig. 2 sind die zur Fig. 1 erläuterten Verhältnisse nochmals zur Quantifizierung des sich einstellenden Effektes dargestellt. Im Lichtleiter 10 sei jetzt ein vierter Licht­ strahl 18 geführt, dessen Abschnitt 18 a gerade unter dem Grenzwinkel α T der Totalreflektion auf die Mantelfläche 19 trifft. Anschaulich ausgedrückt bedeutet dies, daß alle in dem schraffierten Bereich der Fig. 2 einfallenden Licht­ strahlen totalreflektiert werden, während alle steiler als der Lichtstrahl 18 einfallenden Strahlen aus dem Lichtleiter 10 ausgekoppelt werden. Der Lichtstrahl 18 wird in seinem Abschnitt 18 a nun (gerade noch) totalreflektiert und ein reflektierter Abschnitt 18 b trifft auf die untere Stirnflä­ che 16. Unter der Voraussetzung, daß der Lichtstrahlab­ schnitt 18 b außerhalb des Totalreflektionsbereiches der an der unteren Stirnfläche 16 herrschenden Brechungsverhältnis­ se auftritt, wird ein Abschnitt 18 c des Lichtstrahls 18 aus der unteren Stirnfläche 16 ausgekoppelt und zwar unter einem Winkel β, der gerade dem Öffnungswinkel β des Akzeptanzko­ nus 14 in Fig. 1 entspricht. FIG. 2 shows the relationships explained for FIG. 1 again for the quantification of the effect that occurs. A fourth light beam 18 is now guided in the light guide 10 , the section 18 a of which strikes the outer surface 19 just under the critical angle α T of total reflection. Expressed in graphic terms, this means that all the light incident in the hatched area in FIG. 2 radiates total reflection, while all rays incident more steeply than the light beam 18 are coupled out of the light guide 10 . The light beam 18 is now (just) still totally reflected in its section 18 a and a reflected section 18 b strikes the lower end face 16 . Provided that the light beam section 18 b occurs outside the total reflection area of the refractive ratio se prevailing on the lower end face 16 , a section 18 c of the light beam 18 is coupled out of the lower end face 16 , namely at an angle β which is just the opening angle β of the acceptance cone 14 in FIG. 1 corresponds.

Bezeichnet man mit n i den Brechungsindex des Lichtleiters 10, mit n a den Brechungsindex des den Lichtleiter 10 im Bereich seiner Mantelfläche 19 umgebenden Mediums und mit n st den Brechungsindex des den Lichtleiter 10 an der unteren Stirnfäche 16 umgebenden Mediums, so kann man zei­ gen, daß für den Öffnungswinkel β des Akzeptanzkonus 14 gilt:Denoted by n i the refractive index of the light guide 10 , with n a the refractive index of the medium surrounding the light guide 10 in the region of its lateral surface 19 and with n st the refractive index of the medium surrounding the light guide 10 on the lower end face 16 , one can show gene that the following applies to the opening angle β of the acceptance cone 14 :

Wobei selbstverständlich gilt, daß n i größer ist als n a und n st . Für den Fall, daß die Brechungsverhältnisse an der Mantelfläche 19 und an der Stirnfläche 16 gleich sind, d.h. n a =n st , vereinfacht sich die angegebene Formel entsprechend.It goes without saying that n i is greater than n a and n st . In the event that the refraction ratios on the lateral surface 19 and on the end surface 16 are the same, ie n a = n st , the formula given is simplified accordingly.

Man erkennt somit, daß die in Fig. 1 zu erkennende Breite x über den Öffnungswinkel β und den Abstand h unmittelbar ein Maß für die Brechungsverhältnisse des Lichtleiters 10 zu dem ihn umgebenden Medium ist.It can thus be seen that the width x to be seen in FIG. 1, via the opening angle β and the distance h, is directly a measure of the refraction ratios of the light guide 10 to the medium surrounding it.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, die Breite x in digita­ lisierter Form als Meßwert auszugeben.According to the invention it is now provided to output the width x in digitized form as a measured value.

Fig. 3 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem wiederum der Lichtleiter 10 zu erkennen ist, aus dem ein Lichtstrahlenbündel in Gestalt des Akzeptanzkonus 14 unten austritt. Zusätzlich ist gestrichelt ein Akzeptanzko­ nus 14 a eingezeichnet, der einen zweiten Meßwert symbolisie­ ren soll. Fig. 3 shows a this embodiment of the invention, can be seen at the turn of the optical fiber 10 from which a light beam in the shape of the acceptance cone 14 emerges below. In addition, an acceptance cone 14 a is drawn in dashed lines to symbolize a second measured value.

Unterhalb des Lichtleiters 10 ist im axialen Abstand in der gedachten Auftrefffläche eine flächiges Detektorarray 22 zu erkennen, das beispielsweise als Ladungsverschiebungs-Halb­ leiterbauelement (CCD) ausgebildet sein kann. Das Detek­ torarray 22 besteht aus einer Vielzahl in einer Fläche verteilter Detektorelemente 23, die individuell angesteuert und ausgelesen werden können. Eine symbolisiert dargestellte Datenleitung 24 führt zu einer Auswerteschaltung 25, die im wesentlichen einen digitalen Zähler enthält.Below the light guide 10 , a flat detector array 22 can be seen at an axial distance in the imaginary impingement surface, which can be designed, for example, as a charge shift semiconductor component (CCD) . The detector array 22 consists of a multiplicity of detector elements 23 distributed in an area which can be individually controlled and read out. A symbolized data line 24 leads to an evaluation circuit 25 , which essentially contains a digital counter.

Im dargestellten Beispielsfall des durchgezogen eingezeich­ neten Akzeptenzkonus 14 werden die in Fig. 3 schraffierten 8 Detektorelemente beleuchtet, so daß nach Auszählung dieser Elemente über die Datenleitung 24 in der Auswerteschaltung 25 am Ausgang derselben ein Digitalwert "8" ausgegeben wird. Man kann dabei durch entsprechende Vielzahl von Detektor­ elementen 23 eine nahezu beliebige Auflösung des Meßerge­ bnisses erzielen und, sofern dies praktisch noch von Bedeu­ tung sein sollte, durch Einstellung einer bestimmten Trig­ gerschwelle für nur teilweise beleuchtete Detektorelemente 23 einen Grenzwert vorgeben, von dem ab ein Detektorelement 23 als beleuchtet oder unbeleuchtet gezählt wird. Auch eventuelle Grau-Übergänge im Randbereich des Akzeptanzkonus 14 lassen sich auf diese Weise präzise definieren.In the illustrated example of the solidly drawn acceptance cone 14 , the hatched in Fig. 3 8 detector elements are illuminated, so that after counting these elements via the data line 24 in the evaluation circuit 25, a digital value "8" is output at the output thereof. One can achieve an almost arbitrary resolution of the measurement result by a corresponding plurality of detector elements 23 and, if this should be of practical importance, by setting a certain trigger threshold for only partially illuminated detector elements 23, a limit value from which on Detector element 23 is counted as illuminated or non-illuminated. Any gray transitions in the edge area of the acceptance cone 14 can also be precisely defined in this way.

Man erkennt aus Fig. 3 ohne weiteres, daß bei einer Vergrö­ ßerung des Akzeptanzkonus 14 in einen Konus 14 a (gestrichelt eingezeichnet) eine entsprechend größere Anzahl von Detek­ torelementen 23 beleuchtet und damit auch ein entsprechend größerer Digitalwert am Ausgang der Auswerteschaltung 25 angezeigt wird.It is seen from Fig. 3 readily appreciate that at a magnification 14 fication of the acceptance cone in a cone 14 a (shown in dashed lines) has a correspondingly larger number of Detek gate elements illuminated 23 and thus a correspondingly larger digital value appears at the output of the evaluation circuit 25th

Fig. 4 zeigt eine Variante, bei der der Abstand x aus Fig. 1 nicht durch eine Flächenmessung wie in Fig. 3 sondern nur durch eine Messung entlang einer Geraden bestimmt wird. Es ist hierzu ein lineares Detektorarray 26 vorgesehen, bei­ spielsweise ein lineares Diodengatter oder dergleichen. Man erkennt aus Fig. 4, daß im Falle des durchgezogen einge­ zeichneten Akzeptanzkonus 14 vier Detektorelemente 23 be­ leuchtet werden, die in Fig. 4 wiederum schraffiert worden sind, während bei einer Öffnung des Akzeptanzkonus auf einen Wert 14 a im dargestellten Beispielsfalle sechs Detektorele­ mente beleuchtet werden. Auch in diesem Falle wird die Zahl der beleuchteten Detektorelemente ausgezählt und am Ausgang der Auswerteschaltung 25 in Form eines Digitalwertes ausge­ geben. FIG. 4 shows a variant in which the distance x from FIG. 1 is not determined by an area measurement as in FIG. 3 but only by a measurement along a straight line. For this purpose, a linear detector array 26 is provided, for example a linear diode gate or the like. It can be seen from Fig. 4 that in the case of the solidly drawn acceptance cone 14 four detector elements 23 are illuminated, which in turn have been hatched in Fig. 4, while when opening the acceptance cone to a value 14 a in the illustrated example, six detector elements be illuminated. In this case too, the number of illuminated detector elements is counted and output at the output of the evaluation circuit 25 in the form of a digital value.

Mit einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen der Erfindung, wie sie in den Fig. 5 bis 7 dargestellt sind, ist eine Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit mit einem Sensor der erfindungsgemäßen Art möglich.With a further group of exemplary embodiments of the invention, as shown in FIGS. 5 to 7, it is possible to measure the fill level of a liquid with a sensor of the type according to the invention.

Fig. 5a zeigt hierzu einen langgestreckten Lichtleiter 50, der über einen Teil seiner axialen Länge in die Meßflüssig­ keit 33 taucht, die wiederum in dem Behälter mit den Wänden 31, 32 enthalten sei. Der Lichtleiter 50 ist an seiner unteren Stirnfläche 16 wiederum mit einem Spiegel 36 verse­ hen. Fig. 5a shows an elongated light guide 50 which dips part of its axial length in the measuring liquid 33 , which in turn is contained in the container with the walls 31 , 32 . The light guide 50 is in turn hen on its lower end face 16 with a mirror 36 verses.

Als Besonderheit bei der Anordnung gemäß Fig. 5a tritt hinzu, daß der Brechungsindex n des Lichtleiters 50 über dessen axiale Länge z variiert. Der Verlauf des Brechungsin­ dex n über die axiale Länge z ist in Fig. 5b dargestellt und man erkennt, daß der Brechungsindex n mit etwa 1,6 am unte­ ren Ende seinen höchsten Wert und mit etwa 1,4 am oberen Ende seinen niedrigsten Wert einnimmt. A special feature of the arrangement according to FIG. 5a is that the refractive index n of the light guide 50 varies over its axial length z . The course of the refractive index n over the axial length z is shown in FIG. 5b and it can be seen that the refractive index n assumes its highest value at approximately 1.6 at the lower end and its lowest value at approximately 1.4 at the upper end .

Es wurde bereits eingangs in den grundlegenden Erläuterungen des Wirkungsmechanismus der erfindungsgemäßen Sensoren zu den Fig. 1 und 2 erläutert, daß der Öffnungswinkel β des Akzeptanzkonus 14 umso kleiner ist, je geringer der Bre­ chungsindex des Lichtleitermateriales ist. Anschaulich dargestellt bedeutet dies, daß bei geringem Brechungsindex des Lichtleitermaterials immer mehr Lichtstrahlen aus dem Lichtleiter ausgekoppelt werden und nur noch die ganz flach, d.h., nahezu parallel zur Lichtleiterachse verlaufenden Lichtstrahlen im Lichtleiter geführt werden. Dies bedeutet für den Fall, daß der Brechungsindex über der Länge des Lichtleiters variiert, daß derjenige Bereich des Lichtlei­ ters den Akzeptanzkonus begrenzt und damit definiert, der den niedrigsten Brechungsindex aufweist.It has already been explained in the basic explanations of the mechanism of action of the sensors according to the invention in FIGS . 1 and 2 that the opening angle β of the acceptance cone 14 is smaller, the lower the refractive index of the light guide material. Illustrated in a clear manner, this means that with a low refractive index of the light guide material, more and more light beams are coupled out of the light guide and only the very flat, ie, almost parallel to the light guide axis, light beams are guided in the light guide. In the event that the refractive index varies over the length of the light guide, this means that the area of the light guide limits and thus defines the acceptance cone which has the lowest refractive index.

Im Falle des Ausführungsbeispiels der Fig. 5a und 5b ist dies jedoch - im Verhältnis zur umgebenden Meßflüssigkeit 33 - immer derjenige Bereich des Lichtleiters 50, der an die Oberfläche der Flüssigkeit 33 angrenzt, d.h. einen Füllstand 51 definiert.In the case of the exemplary embodiment in FIGS . 5a and 5b, however, in relation to the surrounding measuring liquid 33 , this is always the area of the light guide 50 which adjoins the surface of the liquid 33 , ie defines a fill level 51 .

Wenn also bei der Darstellung in Fig. 5a der Füllstand 51 von einem oberen Maximalwert zu einem unteren Minimalwert absinkt, bedeutet dies, daß ein am nicht-dargestellten oberen Ende des Lichtleiters 50 austretender Akzeptanzkonus mit abnehmendem Füllstand 51 seinen Öffnungswinkel β ver­ größert, so daß auf die zu den Fig. 3 und 4 geschilderte Weise eine digitale Füllstandsmessung möglich ist.If, in the illustration in FIG. 5a, the fill level 51 drops from an upper maximum value to a lower minimum value, this means that an acceptance cone emerging at the not shown upper end of the light guide 50 increases its opening angle β with decreasing fill level 51 , so that a digital level measurement is possible in the manner described with reference to FIGS. 3 and 4.

Beim Lichtleiter 50 mit dem Brechungsindex-Gradienten gemäß Fig. 5b kann diese Charakteristik dadurch erzeugt werden, daß beispielsweise bei einem Kunststoff-Lichtleiter der Polymerisationsgrad über die Länge eingestellt wird. Auch eine Veränderung des Brechungsindex über selektive Druckein­ wirkung, Bestrahlung oder dergleichen ist denkbar.In the case of the light guide 50 with the refractive index gradient according to FIG. 5b, this characteristic can be generated by setting the degree of polymerization over the length, for example in the case of a plastic light guide. A change in the refractive index via selective Druckein effect, radiation or the like is also conceivable.

Statt eines Lichtleiters 50 mit kontinuierlich variierendem Brechungsindex n kann auch, wie dies Fig. 6 zeigt, ein Lichtleiter 52 verwendet werden, der in eine Mehrzahl von axial aneinandergrenzenden Abschnitten 53 unterteilt ist. Die Abschnitte 53 0, 53 1 . . . 53 n sind dabei so ausge­ bildet, daß deren zugehörige Brechungsindizes n 0, n 1, n 2... n n von unten nach oben abnehmen. Die Kennlinie der Fig. 5b für den Lichtleiter 50 der Fig. 5a würde also ten­ denziell gleich, jedoch in leicht gestufter Gestalt verlau­ fen.Instead of a light guide 50 with a continuously varying refractive index n, it is also possible, as shown in FIG. 6, to use a light guide 52 which is divided into a plurality of axially adjacent sections 53 . Sections 53 0 , 53 1 . . . 53 n are formed so that their associated refractive indices n 0 , n 1 , n 2 ... n n decrease from bottom to top. The characteristic curve of FIG. 5b for the light guide 50 of FIG. 5a would therefore tend to be the same, but in a slightly stepped form.

Die Abschnitte 53 können darüberhinaus auch in sich je wiederum mit kontinuierlich variierendem Brechungsindex n versehen sein, so daß durch die Stufung der Abschnitte 53 eine Grobmessung und durch deren axial variierendem Bre­ chungsindex n zusätzlich eine Feinmessung innerhalb jenes Abschnittes 53 möglich ist.The sections 53 can also be provided with a continuously varying refractive index n , so that the grading of the sections 53 enables a coarse measurement and, through their axially varying refractive index n , a fine measurement within that section 53 is also possible.

In den Fig. 7a bis 7c ist noch ein Phänomen dargestellt, das sich bei den Lichtleitern 50 gemäß Fig. 5a, 5b oder 52 gemäß Fig. 6 einstellt und von besonderem Vorteil ist, um geringe Restmengen von Meßflüssigkeit 33 anzuzeigen. Dies ist bei­ spielsweise bei der Füllstandsanzeige in Benzintanks von Kraftfahrzeugen von besonderem Vorteil, wenn dort eine "Reserveanzeige" als besonders hervorstechender Wert einge­ richtet werden soll, um den Fahrer darauf aufmerksam zu machen, daß der Benzinvorrat unter eine bestimmte Mindest­ menge abgesunken ist. FIGS. 7a to 7c also show a phenomenon which occurs in the light guides 50 according to FIG. 5a, 5b or 52 according to FIG. 6 and which is of particular advantage in order to indicate small residual amounts of measuring liquid 33 . This is particularly advantageous for example in the level indicator in gasoline tanks of motor vehicles if a "reserve indicator" is to be set up as a particularly prominent value in order to draw the driver's attention to the fact that the gasoline supply has dropped below a certain minimum amount.

Zur Erläuterung dieses Phänomens in den Fig. 7a bis 7c sei zunächst auf Fig. 7c verwiesen, wo ein Lichtleiter 59 der Breite d mit seiner Längsachse 64 dargestellt ist. Am unte­ ren Ende des Lichtleiters 59 sind die beiden Grenzwinkel der Totalreflektion α TL für den Fall von den Lichtleiter 59 umgebender Luft und a TF für den Fall von den Lichtleiter 59 umgebender Meßflüssigkeit 33 dargestellt.To explain this phenomenon in FIGS. 7a to 7c, reference is first made to FIG. 7c, where a light guide 59 of width d is shown with its longitudinal axis 64 . At the lower end of the light guide 59 , the two critical angles of the total reflection α TL for the case of air surrounding the light guide 59 and a TF for the case of the measuring liquid 33 surrounding the light guide 59 are shown.

In Fig. 7a ist mit 60 ein von oben eintretender Lichtstrahl bezeichnet, der so geneigt ist, daß er gerade unter dem Grenzwinkel α TL für umgebende Luft verläuft und damit an der von Luft umgebenen Mantelfläche 19 des Lichtleiters 59 totalreflektiert wird. Bei dem in Fig. 7a eingezeichneten sehr niedrigen Füllstand 61 bedeutet dies, daß - obwohl ein sehr kleiner unterer Teil des Lichtleiters 59 noch von Meßflüssigkeit 33 umgeben ist -, dieser Lichtstrahl 60 über den Spiegel 36 und die Mantelfläche 19 wieder nach oben reflektiert wird und damit am oberen Ende des Lichtleiters 59 einen Akzeptanzkonus definiert, dessen Öffnungswinkel vom Grenzwinkel α TL für umgebende Luft definiert, d. h. sehr groß ist.In FIG. 7a, 60 denotes a light beam entering from above, which is inclined so that it runs just under the critical angle α TL for surrounding air and is thus totally reflected on the outer surface 19 of the light guide 59 surrounded by air. At the very low fill level 61 shown in FIG. 7 a, this means that - although a very small lower part of the light guide 59 is still surrounded by measuring liquid 33 - this light beam 60 is reflected upwards again via the mirror 36 and the lateral surface 19 and thus defines an acceptance cone at the upper end of the light guide 59 , the opening angle of which defines the limiting angle α TL for surrounding air, ie is very large.

Diese Reflektion von Lichtstrahlen 60 mit einer Neigung bis hin zum Grenzwinkel α TL für umgebende Luft ist so lange möglich, bis der Füllstand 61 eine in Fig. 7a eingezeichnete Höhe 62 erreicht hat. Die Höhe 63 ergibt sich aus der Schnittlinie eines Kegels 63 um die Achse 64 des Lichtleiters 59, wobei der Außenwinkel des Kegels 63 gerade gleich dem Grenzwinkel α TL für umgebende Luft ist. Übersteigt der Füllstand die Höhe 62, ist eine Reflektion von Lichtstrahlen 60 an das obere Ende des Lichtleiters 59 hin nicht mehr möglich. Es tritt vielmehr der in Fig. 7c eingezeich­ nete Fall ein, daß bei einem höheren Füllstand 65 der Licht­ strahl 60 in die Meßflüssigkeit 33 ausgekoppelt wird, weil nunmehr der größere Grenzwinkel α TF für umgebende Flüssigkeit die Brechungsverhältnisse an der Mantelfläche 19 des Lichtleiters 59 definiert.This reflection of light rays 60 with an inclination up to the critical angle α TL for surrounding air is possible until the fill level 61 has reached a height 62 shown in FIG. 7a. The height 63 results from the line of intersection of a cone 63 about the axis 64 of the light guide 59 , the outer angle of the cone 63 being exactly the same as the critical angle α TL for surrounding air. If the fill level exceeds the height 62 , reflection of light rays 60 towards the upper end of the light guide 59 is no longer possible. Rather, it occurs in Fig. 7c marked case that at a higher fill level 65 the light beam 60 is coupled out into the measuring liquid 33 because now the larger critical angle α TF for surrounding liquid defines the refraction conditions on the outer surface 19 of the light guide 59 .

Betrachtet man nun die in Fig. 7b dargestellte Charakteristik des Öffnungswinkels β des Akzeptanzkonus in Abhängigkeit von der Füllhöhe F, so erkennt man, daß bis hin zur Höhe 62 der Öffnungswinkel β den Wert β L einnimmt, der - wie bereits weiter oben erläutert - vom Grenzwinkel a TL für umgebende Luft definiert ist. Überschreitet der Füllstand die Höhe 62, sinkt der Wert des Öffnungswinkels β schlagartig auf einen Wert β₀ ab, der durch den Grenzwinkel α TF für umgebende Flüssigkeit definiert ist.If one now considers the characteristic of the opening angle β of the acceptance cone as a function of the filling height F shown in FIG. 7b, it can be seen that up to the height 62 the opening angle β assumes the value β L , which - as already explained above - from Limit angle a TL is defined for surrounding air. If the fill level exceeds the height 62 , the value of the opening angle β suddenly drops to a value β ₀, which is defined by the critical angle α TF for surrounding liquid.

Ist der Lichtleiter, wie in Fig. 6 mit 52 dargestellt, in seiner axialen Länge gestuft, so können sich, wie Fig. 7b am oberen Rand zeigt, noch weitere Stufen β₁ usw. anschließen, diese weiteren Stufen sind jedoch wesentlich kleiner als die untere Stufe von b L auf β₀, weil solch große Sprünge an Grenzwerten α T nicht mehr auftreten.If the light guide, as shown in Fig. 6 with 52, is stepped in its axial length, then, as Fig. 7b shows at the upper edge, further stages β ₁ etc. can follow, but these further stages are much smaller than that lower level from b L to β ₀ because such large jumps in limit values α T no longer occur.

Der sehr große Signalsprung von b L auf β₀ kann daher dazu ausgenutzt werden, um eine Reserveanzeige zu aktivieren. Den Einsatzpunkt dieser Reserveanzeige kann man, wie sich leicht aus Fig. 7a entnehmen läßt, dadurch bestimmen, daß man die Dicke d des Lichtleiters 59 in Bezug auf den Grenzwinkel α TL für umgebende Luft entsprechend dimensioniert. The very large signal jump from b L to β ₀ can therefore be used to activate a reserve display. The point of use of this reserve indicator can be determined, as can easily be seen in FIG. 7a, by dimensioning the thickness d of the light guide 59 in relation to the critical angle α TL for surrounding air.

Ein weiterer Anwendungsbereich erfindungsgemäßer Sensoren besteht in der Messung geometrischer Größen, insbesondere einer Länge y, wie dies in Fig. 8 anhand eines Beispieles dargestellt ist.Another area of application for sensors according to the invention is the measurement of geometric variables, in particular a length y , as is shown in FIG. 8 using an example.

Ein Lichtleiter 70 ist in axialer Richtung in Abschnitte 71 unterteilt, von denen einer in Fig. 8 mit 71 n bezeichnet ist. Die Abschnitte 71 bestehen aus lumineszierendem Mate­ rial und eines der Lumineszenzelemente ist mit 72 im Ab­ schnitt 71 n bezeichnet. Die Abschnitte 71 verfügen wiede­ rum über jeweils unterschiedliche Brechungsindizes und der Brechungsindex des Abschnittes 71 n ist mit n n bezeich­ net. Der Wert des Brechungsindex nimmt von Abschnitt zu Abschnitt in Fig. 8 von rechts nach links zu.A light guide 70 is divided in the axial direction into sections 71 , one of which is denoted by 71 n in FIG. 8. The sections 71 consist of luminescent material and one of the luminescent elements is denoted by 72 in section 71 n . The sections 71 each have different refractive indices and the refractive index of the section 71 n is denoted by n n . The value of the refractive index increases from section to section in Fig. 8 from right to left.

Ein schmales Strahlenbündel oder ein Lichtstrahl 73, der zum Lichtleiter 70 radial gerichtet ist, trifft auf eine Sei­ tenfläche 74 des Lichtleiters 70. Hierdurch wird in jeweils einem der Abschnitte 71 Lumineszenz angeregt und das hier­ durch ausgestrahlte Sekundärlicht des Lumineszenzelemente 72 pflanzt sich in axialer Richtung des Lichtleiters 70 fort. Das in Fig. 8 nach links gerichtete Sekundärlicht gelangt dort am Ende des Lichtleiters 70 auf eine radiale Stirnflä­ che 75 und tritt dort wiederum in Form eines Akzeptanzkonus 14 aus, so daß in der bereits geschilderten Weise eine Messung des Öffnungswinkels β n des Akzeptanzkonus 14 mittels eines Detektorarrays 22 möglich ist.A narrow beam or a light beam 73 , which is directed radially to the light guide 70 , strikes a side surface 74 of the light guide 70 . As a result, luminescence is excited in each of the sections 71 and the secondary light emitted here by the luminescence element 72 propagates in the axial direction of the light guide 70 . 8 to the left in FIG. 8 arrives at the end of the light guide 70 on a radial face 75 and exits there again in the form of an acceptance cone 14 , so that a measurement of the opening angle β n of the acceptance cone 14 by means of the manner already described of a detector array 22 is possible.

Dadurch, daß der Brechungsindex n der Abschnitte 71 zur Stirnfläche 75 hin zunimmt, wird der Öffnungswinkel des Akzeptanzkonus 14 durch den jeweils vom Lichtstrahl 73 beaufschlagten Abschnitt 71 selbst bestimmt, weil die in Strahlrichtung weiter vorne zur Stirnfläche 75 hin liegenden Abschnitte 71 stets einen größeren Akzeptanzkonus 14 zulas­ sen, diesen jedoch mangels geeignet "steiler" Strahlen nicht ausnutzen.Because the refractive index n of the sections 71 increases toward the end face 75 , the opening angle of the acceptance cone 14 is determined by the section 71 itself acted upon by the light beam 73 , because the sections 71 lying further forward in the beam direction towards the end face 75 always have a larger acceptance cone Allow 14 , but do not take advantage of this due to the lack of suitable "steep" jets.

Man kann daher durch Messung des Öffnungswinkels β n feststellen, auf welchen der Abschnitte 71 der Lichtstrahl 73 gefallen ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß der Öffnungswinkel b n ein Maß für die Länge y ist, wenn man y als Abstand des Lichtstrahls 73 von der vorderen Stirnflä­ che 75 definiert.It can therefore be determined by measuring the opening angle β n , on which of the sections 71 the light beam 73 has fallen. In other words, this means that the opening angle b n is a measure of the length y if y is defined as the distance of the light beam 73 from the front face 75 .

Es versteht sich, daß auf diese Weise auch durch entspre­ chende Aufweitung der Anordnung in die Ebene Sensoren ge­ schaffen werden können, bei denen die Position eines auf­ treffenden Lichtpunktes in der Ebene gemessen werden kann.It is understood that in this way also correspond appropriate expansion of the arrangement in the sensors plane can be created where the position of one on can be measured in the plane.

Fig. 9 zeigt einen stark schematisierten Stromlaufplan einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Sensors. Fig. 9 shows a very schematic circuit diagram of a circuit arrangement for operating a sensor according to the invention.

Ein Pulsgenerator 100 betreibt die Lichtquelle 1, die auf­ grund dessen ein getaktetes Strahlenbündel 2 auf einen Lichtleiter 102 abgibt. Auf den Lichtleiter 102 fällt ferner noch Fremdlicht 103. Der Lichtleiter 102 ist über geeignete Detektor- und Auswerteinrichtungen, wie sie in den Fig. 3 und 4 erläutert wurden, an einen Verstärker 104 angeschlos­ sen, der ferner vom Ausgang des Pulsgenerators 100 beauf­ schlagt wird.A pulse generator 100 operates the light source 1 , which, on the basis of this, emits a clocked beam 2 onto a light guide 102 . External light 103 also falls on the light guide 102 . The light guide 102 is connected via suitable detector and evaluation devices, as were explained in FIGS. 3 and 4, to an amplifier 104 , which is also struck by the output of the pulse generator 100 .

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 9 hat den Sinn, den Einfluß des Fremdlichtes 103 auszuregeln. Hierzu wird im Verstärker 104 während der Impulspausen des Pulsgenerators 100 das vom Lichtleiter 102 aufgefangene, allein vom Fremd­ licht 103 stammende Signal ermittelt und gespeichert. Wäh­ rend eines Impulses des Pulsgenerators 100 wird nun wiederum ein Meßwert gebildet, der im Lichtleiter 102 durch das Strahlenbündel 2 der Lichtquelle 1 und den Einfluß des Fremdlichtes 103 entstanden ist und es wird von diesem Meßwert der zuvor ermittelte Meßwert des Fremdlichtes 103 alleine subtrahiert. Da das Fremdlicht 103 in der Regel eine konstante Störgröße ist, kann auf diese Weise der Einfluß des Fremdlichtes 13 kompensiert werden.The purpose of the circuit arrangement according to FIG. 9 is to regulate the influence of the external light 103 . For this purpose, the signal picked up by the light guide 102 and originating solely from the external light 103 is determined and stored in the amplifier 104 during the pulse pauses of the pulse generator 100 . During a pulse of the pulse generator 100 , a measured value is again formed, which has arisen in the light guide 102 by the beam 2 of the light source 1 and the influence of the external light 103 and the previously determined measured value of the external light 103 alone is subtracted from this measured value. Since the external light 103 is generally a constant disturbance variable, the influence of the external light 13 can be compensated for in this way.

Fig. 10 zeigt schließlich noch eine Möglichkeit, eine Ver­ größerung der Breite x in Fig. 1 zur Erhöhung der Meßge­ nauigkeit durch Erhöhung der Auflösung zu erreichen. Fig. 10 finally shows another way to achieve a Ver enlargement of the width x in Fig. 1 to increase the accuracy by increasing the resolution.

Ein Lichtleiter 106 ähnlich demjenigen in Fig. 1 befindet sich mit seinem unteren Ende im axialen Abstand von einer Auftrefffläche 107, die jedoch zu einer Längsachse 108 des Lichtleiters 106 geneigt ist. Auf diese Weise ergibt sich eine vergrößerte Breite x′, wenn das Bündel der Lichtstrah­ len in Gestalt des Akzeptanzkonus 14 auf die Auftrefffläche 107 fällt.A light guide 106 similar to that in FIG. 1 is located with its lower end at an axial distance from a striking surface 107 , which, however, is inclined to a longitudinal axis 108 of the light guide 106 . In this way, there is an increased width x 'when the bundle of light rays len falls in the shape of the acceptance cone 14 on the impact surface 107 .

Es ist ferner in Fig. 10 mit 107 a, 107 b dargestellt, daß man der Auftrefffläche 107 zusätzlich zur oder anstelle der Neigung zur Achse 108 auch einen gekrümmten Verlauf geben kann, um auf diese Weise bestimmte Kennlinien zu kompensie­ ren oder zu erzeugen, je nach dem, wie dies beim speziellen Anwendungsfall wünschenswert ist.It is also shown in Fig. 10 with 107 a , 107 b that one can give the impingement surface 107 in addition to or instead of the inclination to the axis 108 also a curved course in order to compensate or generate certain characteristics in this way, depending according to how it is desirable in the specific application.

Claims (9)

1. Sensor zur Umwandlung einer physikalischen Größe in ein elektrisches Ausgangssignal, mit einer Lichtquelle (1), aus der ein Bündel (2) Lichtstrahlen (11, 12, 13; 18; 60; 73) in einen lichtleitenden Körper einge­ koppelt wird, wobei die Lichtstrahlen (11, 12, 13; 18; 60; 73) an einer Grenzfläche (16, 19) des Körpers in Abhängigkeit von der physikalischen Größe totalreflek­ tiert bzw. aus dem Körper ausgekoppelt werden und die totalreflektierten Lichtstrahlen (12 b; 18 b; 60) auf eine Stirnfläche (16) fallen, und mit einer Mehrzahl lichtempfindlicher Elemente (23) zum Erfassen eines von dem Bündel (2) nach erfolgter Totalreflektion bzw. Auskopplung eingenommenen Winkelbereichs β, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper als langgestreckter Lichtleiter (10; 50; 52; 59; 70; 102; 106) ausgebildet ist, in dem Lichtstrahlen (12 b; 18 b; 60) mehrfach totalreflektiert werden, daß der optische Brechungs­ index (n) des Lichtleiters (50; 52; 59) über seine Länge zur Stirnfläche hin abnimmt, daß die licht­ empfindlichen Elemente (23) in einem axialen Ab­ stand (h) von der Stirnfläche (3; 16;) angeordnet sind und eine Auftrefffläche (15; 107) für ein aus der Stirnfläche (3; 16;) austretendes Bündel (17) Licht­ strahlen bilden, und daß die Elemente (23) an eine Auswerteschaltung (25) mit einem Zähler angeschlossen sind, der die Anzahl der von dem Bündel (17) beleuch­ teten oder alternativ der nicht beleuchteten Elemente (23) als Ausgangssignal in digitaler Form abgibt. 1. Sensor for converting a physical quantity into an electrical output signal, with a light source ( 1 ), from which a bundle ( 2 ) of light beams ( 11 , 12 , 13 ; 18 ; 60 ; 73 ) is coupled into a light-conducting body, wherein the light rays ( 11 , 12 , 13 ; 18 ; 60 ; 73 ) are totally reflected at an interface ( 16 , 19 ) of the body depending on the physical size or are coupled out of the body and the totally reflected light rays ( 12 b ; 18 b ; 60 ) fall on an end face ( 16 ), and with a plurality of light-sensitive elements ( 23 ) for detecting an angular range β taken up by the bundle ( 2 ) after total reflection or decoupling, characterized in that the body as an elongated light guide ( 10 ; 50 ; 52 ; 59 ; 70 ; 102 ; 106 ) is formed, in which light beams ( 12 b ; 18 b ; 60 ) are repeatedly totally reflected that the optical refractive index ( s ) of the light guide ( 50 ; 52 ; 59 ) over its length decreases towards the end face, that the light-sensitive elements ( 23 ) were in an axial distance ( h ) from the end face ( 3 ; 16; ) are arranged and form a striking surface ( 15 ; 107 ) for a beam ( 17 ) emerging from the end face ( 3 ; 16; ), and that the elements ( 23 ) are connected to an evaluation circuit ( 25 ) with a counter, which outputs the number of elements ( 23 ) illuminated by the bundle ( 17 ) or, alternatively, the non-illuminated elements ( 23 ) as an output signal in digital form. 2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Größe ein Füllstand (51; 61, 65) eines Mediums, vorzugsweise einer Flüssigkeit (33) ist, daß der Lichtleiter (50; 52; 59) über einen Teil seiner axialen Länge in das Medium taucht und daß der optische Brechungsindex (n) des Lichtleiters (50; 52; 59) von seinem unteren Ende nach oben hin abnimmt.2. Sensor according to claim 1, characterized in that the physical quantity is a fill level ( 51 ; 61 , 65 ) of a medium, preferably a liquid ( 33 ), that the light guide ( 50 ; 52 ; 59 ) over part of its axial length immersed in the medium and that the optical refractive index ( n ) of the light guide ( 50 ; 52 ; 59 ) decreases from its lower end upwards. 3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (59) so bemessen ist, daß das Produkt seiner halben Dicke d und des Tangens des Grenzwinkels α TL der Totalreflektion des außerhalb des Mediums liegenden Lichtleitermaterials zu dem dort umgebenden Medium wesentlich kleiner, vorzugsweise ein Drittel bis ein Vierzigstel der Länge des Lichtleiters (59) ist.3. Sensor according to claim 2, characterized in that the light guide ( 59 ) is dimensioned such that the product of its half thickness d and the tangent of the critical angle α TL the total reflection of the light guide material lying outside the medium to the medium surrounding it is substantially smaller, preferably a third to a fortieth of the length of the light guide ( 59 ). 4. Sensor nach einem der Anspüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die physikalische Größe eine Län­ ge (y) ist, daß der Lichtleiter (70) lichtabgebende Elemente (72) aufweist, die nach Bestrahlung mittels eines Primärlichtes Sekundärlicht abgeben, und daß das Bündel Lichtstrahlen (73) in radialer Richtung im Abstand der Länge (y) von der Stirnfläche (75) seit­ lich auf den Lichtleiter (70) trifft.4. Sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the physical size is a length ( y ), that the light guide ( 70 ) has light-emitting elements ( 72 ) which emit secondary light after irradiation by means of a primary light, and that the bundle of light rays ( 73 ) in the radial direction at a distance of length ( y ) from the end face ( 75 ) since Lich strikes the light guide ( 70 ). 5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabgebenden Elemente Lumineszenzelemente (72) sind. 5. Sensor according to claim 4, characterized in that the light-emitting elements are luminescent elements ( 72 ). 6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (70) in axialer Richtung nebeneinander angeordnete Abschnitte (71) mit unterschiedlichem optischem Brechungsindex n auf­ weist.6. Sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the light guide ( 70 ) in the axial direction arranged side by side sections ( 71 ) with different optical refractive index n on. 7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (10; 50; 52; 59) aus Glas oder Kunststoff besteht.7. Sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the light guide ( 10 ; 50 ; 52 ; 59 ) consists of glass or plastic. 8. Sensor nach einem der Anspüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) an einem Puls­ generator (100) angeschlossen ist und daß die Auswer­ teschaltung (25) einen Differenzbildner (104) auf­ weist, dessen Eingängen die Meßwerte bei eingeschalte­ ter bzw. ausgeschalteter Lichtquelle (1) zuführbar sind.8. Sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the light source ( 1 ) is connected to a pulse generator ( 100 ) and that the evaluation circuit ( 25 ) has a difference former ( 104 ), the inputs of which are the measured values can be supplied when the light source ( 1 ) is switched on or off. 9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftrefffläche (107 a, 107 b) in vorgegebener Weise gekrümmt verläuft.9. Sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the impact surface ( 107 a , 107 b ) is curved in a predetermined manner.
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